【文章內(nèi)容簡介】 他對應(yīng)接上電源和地。在鍵盤模塊中添加上拉電阻，上拉電阻可以保證在沒有按鍵輸入時(shí)，進(jìn)入單片機(jī)四個(gè) I/O 口的按鍵狀態(tài)均為高電平，防止干擾產(chǎn)生；當(dāng)有按鍵按下時(shí)，相應(yīng)的端口線狀態(tài)轉(zhuǎn)為低電平，總體框架如下圖 所示。 圖 高精度 GPS 時(shí)鐘系統(tǒng)的框架簡圖 基于 GPS 的高精度時(shí)鐘設(shè)計(jì) 8 硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的整體硬件電路圖如下圖 所示： 圖 系統(tǒng)的整體硬件電路圖 GPS 接受模塊和單片機(jī)的連接 單片機(jī)上的 和 IO口外，還有另外的用途。 (RXD)、(TXD)是 Receive Data ， Transmit Data 的意思 ,即 RXD 為接收數(shù)據(jù)的引腳， TXD 為發(fā)送數(shù)據(jù)的引腳。 將 GPS 接收模塊的 2條信號線分別對應(yīng)接上 RXD、 TXD 端口進(jìn)行數(shù)據(jù)的通訊，用來接收時(shí)間信號并對時(shí)間信號進(jìn)行截取輸出，如下圖 所示連接。 圖 GPS接收端和 AT89C52的連接 AT89C52 GPS 接收模塊 VCC GROUND 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 LCD1602 和單片機(jī)的連接 1602 中數(shù)據(jù)總線 DB07 對應(yīng)單片機(jī)中的 P1 口， 3 條控制線分別接另外 3個(gè)單片機(jī)端口，其他對應(yīng)接上電源和地 (下圖 )。 圖 LCD1602和單片機(jī) AT89C52的連接 LCD1602 中 VDD 為電源正極， VSS 為電源接地端， VEE 為 液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地時(shí)對比度最高 。 LCD1602 有四種基本的操作時(shí)序：讀狀態(tài)、寫指令、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù) 據(jù)。 讀狀態(tài)：輸入： RS=L， RW=H， E=H 輸出： D0D7 = 狀態(tài)字 寫指令：輸入： RS=L， RW=L， D0D7 = 指令碼， E=高脈沖 輸出：無 讀數(shù)據(jù)：輸入： RS=H， RW=H， E=H 輸出： D0D7 = 數(shù)據(jù) 寫數(shù)據(jù)：輸入： RS =H， RW=L， D0D7 = 數(shù)據(jù)， E=高脈沖 輸出：無 LCD1602 VSS VDD VEE D0D7 RS R/W E AT89C52 P1 口 GROUND VCC GROUND 基于 GPS 的高精度時(shí)鐘設(shè)計(jì) 10 按鍵模塊和單片機(jī)的連接 鍵盤模塊設(shè)置了四個(gè)按鍵： KEY KEY KEY KEY4。其中 KEY1 為設(shè)置時(shí)間值， KEY2 為設(shè)定值上升鍵，用 KEY3 為設(shè)定值減小鍵， KEY4 是設(shè)定鬧鐘值。 電路連接如下圖 28所示， 4 個(gè)上拉電阻可以保證在沒有按鍵輸入時(shí)，進(jìn)入單片機(jī)四個(gè) I/O 口的按鍵狀態(tài)均為高電平，防止干擾產(chǎn)生；當(dāng)有按鍵按下時(shí)，相應(yīng)的端口線狀態(tài)轉(zhuǎn)為低電平。 R5R6R7R8+ 5 VK E Y 1K E Y 2K E Y 3K E Y 4P 0 . 0P 0 . 1P 0 . 2P 0 . 3 圖 按鍵模塊和單片機(jī)的連接 時(shí)鐘芯片 DS1302 和單片機(jī)的連接 DS1302 與 CPU的連接需要三條線，即 SCLK、 I/O、 RST，分別連接單片機(jī)的 3個(gè)端口 、 、 (下圖 )，用來對 DS1302 的命令字 的讀寫和數(shù)據(jù)的讀寫。 X1 和 X2是振蕩源，外接 晶振。 RST 是復(fù)位 /片選線 ，通過把 RST 輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的 數(shù)據(jù)傳送 。 圖 DS1302和 52單片機(jī)的連接 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第三章 GPS 高精度時(shí)鐘的軟件分析設(shè)計(jì) GPS 授時(shí)系統(tǒng)的同步利用方式 脈沖同步方式 脈沖同步方式 ，即同步時(shí)鐘每隔一定的時(shí)間間隔輸出一個(gè)精確的同步脈沖。監(jiān)控裝置在接收到同步脈沖后進(jìn)行對時(shí)，消除裝置內(nèi)部時(shí)鐘的走時(shí)誤差。同步脈沖的周期、頻率、電平、脈寬、脈沖的正負(fù)、上升和下降時(shí)間、同步的時(shí)刻等均可能有所變化。 根據(jù)脈沖輸出接口的不同，同步脈沖分為有源 TTL 電平輸出、無源空接點(diǎn)輸出、固態(tài)繼電器輸出等。有源 TTL 電平輸出，即每隔一定的時(shí)間間隔產(chǎn)生一個(gè) TTL 電平脈沖，或正脈沖或負(fù)脈沖，脈沖的寬度和占空比可以不同。這種輸出，用戶可以直接引出同步信號，不必外加電源。無源空接點(diǎn)輸出，即將同步脈沖作為一開關(guān)量輸出，一般是 使用一個(gè)光電三極管，從集電極輸出?？筛鶕?jù)應(yīng)用要求，在同步時(shí)鐘到來時(shí)，三極管由導(dǎo)通變截止，或由截止變導(dǎo)通。 1PPS(秒脈沖，即： pulse per second 脈沖 /秒 )輸出，是一個(gè)電平信號，一般以方波形式輸出，高電平 (也有較少數(shù)為低電平的 )表示有秒脈沖輸出，其持續(xù)時(shí)間很短，一般在毫秒量級上，其電平信號為 +5V，持續(xù)時(shí)間為毫秒級，低電平 (也有較少數(shù)為高電平的 )表示沒有信號輸出。高電平上升沿為 1PPS 輸出的精確時(shí)刻。 在 GPS OEM 板取得有效導(dǎo)航解析的時(shí)候，秒脈沖上升沿的時(shí)刻與 GPS 時(shí)刻相差在50ns 以內(nèi) ，與串行口輸出的 UTC 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間相差在 1us 以內(nèi)。 OEM 板先為用戶提供秒脈沖，再提供與該秒脈沖相對應(yīng)的 UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。 有時(shí)在沒有收到衛(wèi)星信號或?qū)Ш浇鉄o效的情況下 (即沒有收到 UTC的校正數(shù)據(jù) )， OEM板通過開發(fā)工具板也能向外發(fā)送秒脈沖，但此時(shí)秒脈沖為 GPS OEM 內(nèi)部未改正鐘差、鐘漂的原始時(shí)鐘的時(shí)間，其上升沿的時(shí)刻不準(zhǔn)確、不穩(wěn)定，誤差較大，無實(shí)用價(jià)值。僅在取得正確導(dǎo)航解時(shí)才可以用 UTC時(shí)間對 GPS OEM 內(nèi)部時(shí)間進(jìn)行校正 ,輸出精確時(shí)間。 串行同步方式 串行同步方式是時(shí)鐘以串行數(shù)據(jù)流的方式輸出 時(shí)間信息 ,各種自動裝置接收每秒一次的串行時(shí)間信息獲得時(shí)間同步。串行通信的標(biāo)準(zhǔn)和格式多種多樣 ,按信息碼的格式不基于 GPS 的高精度時(shí)鐘設(shè)計(jì) 12 同，分別有 ASCII 碼、 IRIGB碼等。按串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)的不同， ASCII 碼有 RS232C、RS422/485 等方式， IRIGB 碼有 TTL 直流電平碼輸出、 1kHZ 正弦波調(diào)制碼輸出、MANCHESTER 調(diào)制碼輸出等方式。 （ 1） RS232/422/485 串行接口輸出 同步時(shí)鐘通過 RS232/422/485 串行口在整秒、整分或整時(shí)，輸出一次時(shí)間信息。時(shí)間信息格式一般是由幀頭、時(shí)、分、秒、日、月、年 及結(jié)束符組成。自動裝置在接收到對時(shí)信號后，通過軟件校正內(nèi)部時(shí)鐘。使用串行口方式對時(shí)，比脈沖對時(shí)方式復(fù)雜。受接收過程中信息處理時(shí)間的影響，對時(shí)精度差。如果要提高對時(shí)精度，還需要再給出對時(shí)脈沖信號。 （ 2） IRIGB 碼串行輸出 IRIGB是美國最先采用的一種國際時(shí)間碼標(biāo)準(zhǔn)。目前電力系統(tǒng)中的許多進(jìn)口裝置均使用 IRIGB時(shí)間碼獲取時(shí)間信息，因此 IRIGB 碼制串行輸出也應(yīng)作為 GPS同步時(shí)鐘輸出的一種可選形式。 IRIGB信號有 TTL 直流電平碼和 1kHZ 正弦波調(diào)制碼兩種形式。每一碼脈沖的寬度是 10ms，通過改變直流電平占空比或變化 1kHZ 調(diào)制信號的幅值來表示邏輯“ 1”與“ 0”及標(biāo)識符 (幀起始符，相鄰秒、分、小時(shí)、日期、數(shù)據(jù)的分隔符 )。起始位的上升沿即為同步時(shí)刻。 IRIGB TTL 直流電平碼的分辨率為 10ms，不加調(diào)制解調(diào)，使用方便，但只適于近距離傳輸。 1kHZ 正弦波調(diào)制碼的分辨率為 1ms，適合遠(yuǎn)距離傳輸，這種正弦波調(diào)制碼一般通過音頻傳輸線路來傳輸數(shù)據(jù)。所以本文認(rèn)為，在裝置硬件資源豐富的前提下可以考慮兩種方案同時(shí)結(jié)合使用，即是將脈沖校時(shí)和串口校時(shí)結(jié)合起來的綜合校時(shí)方案。 GPS 授時(shí)模塊的 形式及流程圖 OEM板輸出的數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)流的形式輸出，采集的起始時(shí)刻未必是一幀數(shù)據(jù) 的開始時(shí)刻，所以在數(shù)據(jù)采集時(shí)，必須先判斷字頭塊，在接收到字頭塊后，開始采集數(shù)據(jù)。 OEM板每隔 1s自動輸出觀測數(shù)據(jù)幀和位置數(shù)據(jù)幀一次，但輸出的格式 是多種多樣的，因此必須先給 OEM板發(fā)送指令來控制其輸出數(shù)據(jù)格式。接收數(shù)據(jù)需要設(shè)定單片機(jī)的波特率，使其與 GPS OEM板的傳輸波特率一致。給 OEM板發(fā)送一條指令，使其發(fā)送的 0183數(shù)據(jù)格式為“ $GPGGA” ,該指令預(yù)先存在數(shù)據(jù)存儲器里，用循環(huán)方式順次從程序存儲器里取出數(shù)據(jù)就可循環(huán)發(fā) 送。然后 0EM板將輸出相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)，單片機(jī)對接收的信息進(jìn)行判浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 斷，如果是“ $GPGGA” ,則接收下面的 6個(gè) ASCII碼并存儲在單片機(jī)的 RAM里；如果不是“ $GPGGA”，則繼續(xù)判斷，直到是“ $GPGGA”。也可采用循環(huán)方式接收時(shí)間信息。由于接收到的時(shí)間是世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí) (UTC)，因此在此時(shí)間上加上 8h才是準(zhǔn)確的北京時(shí)，在超出 24h時(shí)應(yīng)作減 24h處理，然后進(jìn)行顯示處理。顯示采用動態(tài)顯示原理，每個(gè)時(shí)間狀態(tài)顯示停留一段時(shí)間，顯示完后程序跳轉(zhuǎn)到主函數(shù)以便接受下一秒的數(shù)據(jù)并將其顯示。下圖 為授時(shí)程序流程圖。 初始化 發(fā)送字節(jié) 發(fā)送完否 接受字符 循環(huán)判斷是否為 $GPGGA 字符 循環(huán) 6次接收數(shù)據(jù)并存取 是否 24 指向儲存單元 左邊開始取數(shù)據(jù) 送出一 位顯示 延時(shí) 指向下一個(gè)單元 讀完 6 位 位控信號右移一位 N 圖 授時(shí)程序流程圖 N N Y Y 基于 GPS 的高精度時(shí)鐘設(shè)計(jì) 14 LCD1602 的顯示操作 LCD 有四種基本操作，具體如表 。 表 LCD與單片機(jī)之間 的 四種基本操作 狀態(tài) RS R/W 操作 狀態(tài) 1 0 0 寫命令操作 (初始化，光標(biāo)定位等 ) 狀態(tài) 2 0 1 讀狀態(tài)操作 (讀忙標(biāo)志位 ) 狀態(tài) 3 1 0 寫數(shù)據(jù)操作 (要顯示內(nèi)容 ) 狀態(tài) 4 1 1 讀數(shù)據(jù)操作 (可以把顯示存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)反 讀出來 ) 讀狀態(tài)操作 執(zhí)行讀狀態(tài)字操作，如表 所示須滿足 RS=0、 R/W=1。根據(jù)管腳功能，當(dāng)為有效電平時(shí)，狀態(tài)命令字可從 LCD 模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)總線。同時(shí)可以保持一段時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)讀狀態(tài)字的功能。如下圖 。 圖 讀入狀態(tài)字流程圖 寫命令操作 由表 可知當(dāng) RS=0， R/W=0 時(shí)，才可以通過單片機(jī)或用戶指令把數(shù)據(jù) 即命令，寫到 LCD 模塊，此時(shí)就對 LCD 進(jìn)行調(diào)制?？刹捎貌樵兎绞剑合茸x入狀態(tài)字，再判斷忙標(biāo)志，最后寫命令字。 LCD 初始化 從通電開始通過延時(shí)，先經(jīng)過判忙后再進(jìn)行功能設(shè)置，過一段時(shí)間后可以設(shè)制顯示狀態(tài)（如設(shè)置行、位或陣列）再經(jīng)過延時(shí)后清屏后再可以設(shè)置輸入方式，具體如圖 所示。 RS 清 0 等待 RW 置 1等待 E 置 1 等待 讀入狀態(tài)字等待 E 清 0 等待 RW 清 0 等待 結(jié)束 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 LCD初始化流程圖 GPS 高精度時(shí)鐘主要程序、流程圖及注釋 主程序流程圖 本系統(tǒng)主程序流程圖如下圖 所示。 主程序流程圖 上電 延時(shí) 20ms 功能設(shè)置 延時(shí) 37us 顯示狀態(tài)設(shè)置 清屏 延時(shí) 輸入方式設(shè)置 返回 開始 初始化 有 GPS信號？ 截取 GPS 時(shí)間數(shù)據(jù) LCD1602 顯示 設(shè)置鬧鐘時(shí)間 是否到鬧鈴時(shí)間？ 從 DS1302 讀數(shù)據(jù) Y Y N N 鬧鈴操作 單片機(jī)處理 基于 GPS 的高精度時(shí)鐘設(shè)計(jì) 16 在開始的初始化中，需要對各芯片進(jìn)行初始化，初始化完成后要判斷 GPS 接收端有沒有數(shù)據(jù)輸出（有沒有 GPS 信號），即單片機(jī)有沒有數(shù)據(jù)讀入。如果沒有 GPS 信息，為了防止時(shí)間停滯，采用 DS1302 計(jì)時(shí)。 因?yàn)?GPS 接收端的數(shù)據(jù)傳輸是類似于網(wǎng)絡(luò)中帶有包頭的數(shù)據(jù)包傳輸，所以要